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二氧化硅气凝胶的特性应用

发布时间:2021-10-01人气:
  气凝胶是由纳米级胶体粒子或高聚物分子构成的多孔性非晶固体材料,也是目前合成材料中较轻的凝聚态材料,其独特的开放性纳米级多孔结构和连续的三维网络结构使它拥有许多独特的性质,在超低密度耐高温隔热材料、高能电极、声阻抗耦合材料、气体吸附和分离膜、催化剂及其载体等方面具有广阔的应用前景。
  SiO2气凝胶是一种结构可控的新型纳米多孔绝热材料,具有高比表面积和低密度,其孔洞率高达80%~99.8%。由于其纳米多孔网络结构具有极低的固态和气态热传导,添加红外遮光剂后可有效阻隔高温红外热辐射,使其在常温、常压下的总热导率低至0.01W/(m·K),是目前固体材料中热导率低的一种材料。
  SiO2气凝胶作为一种轻质的绝热材料在航空航天、化工、冶金及节能建筑等领域具有广泛的应用前景。目前,SiO2气凝胶一般是以正硅酸乙酯或正硅酸甲酯为原料,通过溶胶–凝胶法获得醇凝胶,再经过超临界干燥获得。正是因为它所应用的原料价格昂贵,制备工艺复杂,条件苛刻,设备要求高,能耗又比较大,使SiO2气凝胶的制备成本很高,不易制备,且其制备法包含了水解和缩聚两部分,这就使得制备条件的选择及凝胶的结构控制相当复杂,从而阻碍了SiO2气凝胶的大规模推广应用。用改进的气凝胶的制备方法,利用含硅聚合物超临界干燥法制备SiO2气凝胶,可简化制备工艺,缩短了制备周期,提供一种低成本快速制备SiO2气凝胶的方法,实验表明:该法制备的SiO2气凝胶性能与传统工艺条件下制备的SiO2气凝胶性能相近。
SiO2气凝胶的外观和微观结构
  含碳SiO2气凝胶为黑色的块状固体,在高倍显微镜下观测,发现其表观结构为呈现枝化的连续多孔结构。经高温除碳后,变为白色絮状结构,强度和连续程度降低。
SiO2气凝胶的反应机理
  SiO2气凝胶的相关性能在高温高压等极端反应条件下,Si-OR和Si-C键易形成稳定的Si-O-Si结构。此外,烃基基团断裂为小分子后部分碳化,附着在SiO2气凝胶连续网状结构表面,并保留SiO2网络状骨架结构,使刚出釜的SiO2气凝胶呈黑色,其中残留一部分有机基团,使除碳前的SiO2气凝胶表现为疏水性。当经高温除碳后,有机基团完全被脱除,气凝胶变为白色,表现为亲水性。
  以PDMS为原料,采用高温高压法获得了与传统制备工艺条件下性能相似的SiO2气凝胶。
  SiO2气凝胶除碳前为疏水性气凝胶,比表面积为27.68m2/g,孔体积为0.1037cm3/g,平均孔径约为15nm,密度0.063g/cm3。除碳后变为亲水性气凝胶,比表面积为500.6m2/g,孔体积为0.4043cm3/g,平均孔径为3.23nm,密度0.0366g/cm3,结构为连续网状多孔非晶态固体,耐温性良好,可用做保温隔热材料。
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